Применение карбид-кремниевых силовых диодов Шоттки в IGBT-инверторах с жестким переключением

Введение

За последнее десятилетие IGBT биполярные транзисторы надежно зарекомендовали себя в качестве основных ключевых приборов для мощной преобразовательной техники [1]. Благодаря меньшим по сравнению с MOSFET статическим потерям, хорошим динамическим характеристикам и простоте управления, эти приборы нашли применение в мощных (более 500 Вт) высоковольтных (более 500 В) инверторах для различных устройств силовой электроники, таких как электроприводы, установки индукционного нагрева, источники бесперебойного питания и др.

Во всех перечисленных устройствах биполярные транзисторы инвертора работают в так называемом жестком режиме, когда их переключение происходит при максимальных значениях токов и напряжений. Специфической особенностью этого режима, связанной с работой на индуктивную нагрузку, также является необходимость установки антипараллельных диодов, характеристики обратного восстановления которых вносят значительный вклад в динамические потери. Ток обратного восстановления антипараллельного диода протекает через ключевой транзистор во время его открывания, что приводит к рассеиванию значительной мощности как в самом силовом диоде, так и в биполярном транзисторе IGBT. Кроме того, у кремниевых диодов энергия обратного восстановления увеличивается с ростом температуры и скорости изменения прямого тока di/dt, что всегда присутствует в реальных инверторах.

Радикально снизить ток обратного восстановления и связанные с ним динамические потери в биполярном транзисторе IGBT позволяет замена кремниевых диодов Ultra Fast на высоковольтные карбид-кремниевые (SiC) диоды с барьером Шоттки.

Высоковольтные SiC-диоды Шоттки

Карбид кремния — это высокотемпературный радиационно-стойкий полупроводниковый материал с большой шириной запрещенной энергетической зоны. Его уникальные свойства хорошо известны, поэтому напомним лишь некоторые из них [2]:

• Критическая напряженность электрического поля SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии Ron. Например, при напряжении 600 В SiC-диод имеет Ron ↔ 1,4 мОм·см², GaAs-диод — Ron ↔ 6,5 мОм·см², Si-диод — Ron > 70 мОм·см².
• Малое удельное сопротивление в открытом состоянии, в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью, позволяет использовать очень маленькие по размерам кристаллы для силовых приборов.
• Большая ширина запрещенной энергетической зоны является результатом более высокого барьера Шоттки по сравнению с Si и GaAs. В результате чрезвычайно малый ток утечки (менее 70 мкА при 200 °С) при повышенной температуре кристалла снижает термоэлектронную эмиссию за пределами барьера.
• Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с Si-диодами — почти в два раза).
• Электронные свойства приборов на основе SiC очень стабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий.
• Высокая рабочая температура кристалла (более 600 °С) позволяет создавать высоконадежные приборы для жестких условий эксплуатации.

Для рассматриваемого применения важным является то, что в отличие от кремниевых p-n-диодов выключение SiC p-i-n-диодов Шоттки не сопровождается процессом рассасывания заряда в n-области и ток обратного восстановления отсутствует. Существует лишь незначительный ток заряда емкости обратно смещенного перехода. Поэтому, по аналогии с зарядом обратного восстановления Q_rrp—n—диодов, вводят понятие емкостного заряда Q_cp— i- n-диодов Шоттки. На рис. 1 показаны зависимости зарядов Q_rr и Q_c от скорости спада тока через силовой диод.

Рис. 1. Зависимость заряда обратного восстановления Qrr Si-диода и емкостного заряда Qc SiС-диода от di/dt

Можно видеть, что величина емкостного заряда практически не зависит от di/dt, в то время как заряд обратного восстановления увеличивается, и соответственно растут потери на высоких частотах.

В настоящее время практически монополистом на рынке карбид-кремниевых полупроводниковых материалов является компания Cree. Это единственный в мире производитель SiC-пластин большого диаметра (до 100 мм) в массовых количествах. Из всей номенклатуры перспективных полупроводниковых приборов SiC [2] коммерчески доступны пока лишь высоковольтные силовые диоды Шоттки с напряжением 300-1200 В, номенклатура которых приведена в таблице 1.

Замена антипараллельных Si-диодов на SiC-диоды Шоттки (эксперимент)

Для экспериментальной оценки результатов применения SiC-диодов Шоттки можно использовать стандартную модель (рис. 2), применяемую для измерения потерь в биполярном транзисторе IGBT с интегрированным антипараллельным диодом [3].

Рис. 2. Схема измерения потерь в биполярном транзисторе IGBT и силовом диоде при работе на индуктивную нагрузку

Измерения проводились для двух вариантов ключевых приборов: с напряжением «коллектор — эмиттер» 600 и 1200 В. В первом случае скорость нарастания тока ограничена величиной 750 В/мкс с помощью затворного резистора Rg сопротивлением 10 Ом, во втором случае — 250 В/мкс при Rg = 22 Ом.

В момент времени T1 (рис. 2) биполярный транзистор IGBT включается, и ток через индуктор нарастает до момента времени T2. В момент T2 транзистор закрывается, и ток индуктора продолжает протекать через силовой диод. Потери при выключении биполярного транзистора IGBT и отпирании силового диода измеряются на интервале активной области транзистора. На интервале T2–T3 ток индуктора протекает через силовой диод до тех пор, пока транзистор не откроется и ток не начнет протекать через него. Потери при включении биполярного транзистора IGBT и запирании силового диода также измеряются на интервале нахождения транзистора в активной области.

Результаты измерений потерь в биполярном транзисторе IGBT с напряжением 600 В

Измерения динамических характеристик проводились при использовании кремниевого Ultra Fast силового диода 15 А, 600 В с мягким восстановлением (аналогичного интегрируемому в биполярном транзисторе IGBT с током коллектора 40 А) и SiC-диода Шоттки 10 А, 600 В типа CSD10060. Потери измерялись при напряжении питания 500 В и токе коллектора 20 А. Результаты измерений приведены на рис. 3-8.

Рис. 3. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении кремниевого Ultra Fast силового диода

На рис. 3 показаны осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении кремниевого Ultra Fast силового диода (температура перехода 150 °С). Из рисунка видно, что пиковый ток обратного восстановления достигает 23 А, время обратного восстановления — 100 нс, пиковая рассеиваемая мощность — 7 кВт. На осциллограмме обратного напряжения наблюдается выброс величиной около 200 В, обусловленный высоким значением di/dt при восстановлении силового диода.

Рис. 4 иллюстрирует те же процессы, что и приведенные на рис. 3, только при использовании SiC-диода Шоттки при температуре перехода 150 °С. Помимо снижения тока обратного восстановления (точнее, тока заряда емкости обратно смещенного перехода, поскольку у приборов с барьером Шоттки отсутствует эффект накопления заряда) до 4 А при полной длительности этого процесса 33 нс и пиковой рассеиваемой мощности до 0,5 кВт полностью отсутствует выброс обратного напряжения на силовом диоде.

Рис. 4. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при выключении SiC-диода Шоттки

На рис. 5 показаны осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при включении биполярного транзистора IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast силовым диодом (температура перехода диода и транзистора 150 °С). При включении биполярного транзистора IGBT ток обратного восстановления силового диода суммируется с током транзистора, в результате чего его пиковое значение достигает 44 А. При этом на IGBT рассеивается пиковая мощность 15 кВт. На осциллограмме напряжения присутствует интенсивный высокочастотный переходной процесс, обусловленный высоким значением di/dt при восстановлении силового диода. Это является источником мощных электромагнитных помех, требующих дополнительных мер по их подавлению.

Рис. 5. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при включении биполярного транзистора IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast силовым диодом

Процесс включения биполярного транзистора IGBT совместно с SiC-диодом Шоттки показан на рис. 6. Условия работы те же, что и в предыдущем случае. Как видно из рисунка, ток IGBT при включении снизился до 22 А при уменьшении рассеиваемой пиковой мощности в 2 раза (до 7,5 кВт). При этом высокочастотный переходной процесс на транзисторе не наблюдается.

Рис. 6. Осциллограммы напряжения, тока и мгновенной мощности при включении биполярного транзистора IGBT совместно с SiC-диодом Шоттки

В таблице 2 и 3 приведены сравнительные параметры переключения при использовании кремниевого Ultra Fast силового диода и SiC-диода Шоттки, измеренные при температуре 25 и 150 °С соответственно. Нетрудно видеть, что полные динамические потери в системе «IGBT + силовой диод» удается снизить на 52% при температуре переходов 25 °С и на 56% — при 150 °С.

Таблица 2. Сравнительные параметры переключения 600 В биполярного транзистора IGBT при использовании Si Ultra Fast силового диода и SiC-диода Шоттки. Tj = 25 °C, Iк = 20 А, Uпит = 500 В, Rg = 10 Ом

На рис. 7 и 8 показаны осциллограммы токов выключения кремниевого Ultra Fast и карбид-кремниевого диодов и включения биполярного транзистора IGBT при различных температурах переходов. Как следует из рис. 7, пиковый обратный ток SiC-диода не превышает 5 А и не зависит от температуры, в то время как ток обратного восстановления кремниевого диода растет с 13 А при 25 °С до 23 А при 150 °С. Аналогичная ситуация наблюдается и с пиковым током при включении биполярного транзистора IGBT, поскольку ток обратного восстановления силового диода вносит значительный вклад в его общий ток.

Рис. 7. Осциллограммы тока при выключении кремниевого Ultra Fast силового диода и карбид-кремниевого диода Шоттки

Рис. 8. Осциллограммы тока при включении биполярного транзистора IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast силовым диодом и карбид-кремниевым диодом Шоттки

Зависимости полных динамических потерь от частоты преобразования при температурах 50, 100 и 150 °С с использованием кремниевого Ultra Fast и карбид-кремниевого диодов показаны на рис. 9 и 10. Потери в SiC-диоде Шоттки не только не зависят от температуры, но и по абсолютному значению оказываются намного ниже, чем у кремниевого аналога. Потери в паре «биполярный транзистор IGBT + SiC-диод» имеют значительно меньший температурный коэффициент, что обусловлено отсутствием температурной зависимости вклада обратного тока SiC-диода в общий ток транзистора.

Рис. 9. Зависимость динамических потерь от частоты преобразования кремниевого Ultra Fast силового диода и карбид-кремниевого диода Шоттки

Рис. 10. Зависимость динамических потерь от частоты преобразования в биполярном транзисторе IGBT совместно с кремниевым Ultra Fast силовым диодом и SiC-диодом Шоттки

Результаты измерений потерь в биполярном транзисторе IGBT с напряжением 1200 В

Измерения динамических характеристик на классификационном напряжении 1200 В проводились при использовании кремниевого Ultra Fast силового диода 8 А, 1200 В с мягким восстановлением (аналогичного интегральному диоду в общем корпусе с кристаллом IGBT с током коллектора 11 А) и карбид-кремниевого диода Шоттки 5 А, 1200 В типа CSD05120. Потери измерялись при напряжении питания 1000 В и токе коллектора 5 А. Осциллограммы токов и напряжений при переключении во многом аналогичны предыдущему случаю, поэтому приводить их не имеет смысла.

Сравнительные результаты измерений параметров переключения приведены в таблицах 4 и 5 для температур переходов 25 и 125 °С соответственно. Как и в предыдущем случае, полные динамические потери в системе «биполярный транзистор IGBT + силовой диод» удается снизить более чем на 50% при температуре переходов 25 °С и почти на 60% — при 125 °С.

Статические и суммарные потери

Бытует мнение, что SiC-диоды Шоттки якобы имеют несколько большие потери проводимости при высоких температурах кристалла, чем кремниевые приборы. Однако при корректном сравнении приборов из одной токовой группы, работающих в одинаковых условиях, получается обратный результат. Для иллюстрации этого утверждения на рис. 11 приведены прямые ветви ВАХ диодов, используемых при измерениях в предыдущем разделе. При токе 5 А SiC-диод Шоттки имеет на 0,75 В при 25 °С и на 0,18 В при 125 °С меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевый Ultra Fast силовой диод. В результате имеет место определенный выигрыш и по статическим потерям при использовании карбид-кремниевого диода. В заключение приведем результаты измерений суммарных потерь в преобразователе, работающем на частоте 100 кГц. В инверторе применены биполярные транзисторы IGBT с напряжением 1200 В, работающие при среднем токе 2,5 А (5 А в состоянии проводимости, скважность 2). Температура перехода 125 °С, прямое падение на IGBT составляет 2,9 В при токе 5 А. Результаты для пар «биполярный транзистор IGBT + SiC-диод» и «биполярный транзистор IGBT + Ultra Fast Si-диод» приведены в таблице 6. Как следует из таблицы, использование в качестве антипараллельного SiC-диода Шоттки позволило снизить суммарные потери более чем вдвое.

Рис. 11. ВАХ Si Ultra Fast силового диода и SiC диода Шоттки

Заключение

Мы рассмотрели одно из наиболее эффективных применений карбид-кремниевых диодов Шоттки. Полученные результаты говорят сами за себя. Именно за счет возможности радикального снижения потерь и, как следствие, снижения тепловой нагрузки и увеличения надежности многие производители силовых полупроводниковых приборов обращают пристальное внимание на возможность совместного корпусирования кристаллов Si IGBT и SiC-диодов. В настоящее время коммерчески доступные изделия «биполярный транзистор IGBT + SiC-диод» в конфигурациях одиночных приборов, полумостов и однофазных мостов выпускает компания APT, корпусирующая кристаллы Cree. Однако и среди российских производителей IGBT силовых модулей ряд компаний проявляет интерес к подобным приборам. Пока массовое внедрение таких структур тормозится недостаточно большими токами серийных кристаллов карбид-кремниевых диодов Шоттки — 10 А при напряжении 1200 В и 20 А при напряжении 600 В. Хотя благодаря положительному температурному коэффициенту прямого падения напряжения кристаллы SiC-диодов можно включать параллельно без дополнительных выравнивающих компонентов, обеспечивая требуемый прямой ток, такое решение не всегда является экономически приемлемым.

Ситуация может измениться уже в ближайшее время, поскольку компания Cree обещает в конце 2006 года сделать коммерчески доступными карбид-кремниевые диоды Шоттки 600 В, 100 А и 1200 В, 50 А. Кроме того, анонсировано начало производства карбид-кремниевых MOSFET, управляемых тиристоров и высоковольтных p- г— п—диодов.

Преимущества полупроводниковых приборов на основе SiC для силовой электроники ярко иллюстрирует недавний совместный проект Cree и Kansai Electric (KEPCO). Ими был разработан и испытан 3-фазный DC/AC-ин-вертор, собранный полностью с применением силовых карбид-кремниевых полупроводниковых приборов. Инвертор мощностью 110 кВ·А разместился в объеме традиционного устройства мощностью 12 кВ·А (рис. 12). В качестве ключевых приборов в нем используются карбид-кремниевые управляемые тиристоры. Инвертор предназначен для преобразования частоты в генераторах ветряных и солнечных электростанций, а также в резервных источниках питания большой мощности.

Рис. 12. 3-фазный DC/AC-инвертор, собранный полностью с применением силовых карбид-кремниевых полупроводниковых приборов (Cree — Kansai Electric)